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[編輯本段]引言由于超聲波指向性強(qiáng),能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量,如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較快速、便利、計(jì)算簡潔、易于做到實(shí)時(shí)掌握,并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)有用的要求,因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走,就必需裝備測距系統(tǒng),以使其準(zhǔn)時(shí)獵取距障礙物的距離信息〔距離和方向〕。本文所介紹的三方向〔前、左、右〕超聲波測距系統(tǒng),就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而供給一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。[編輯本段]原理二、超聲波測距原理1、超聲波發(fā)生器為了爭論和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了很多超聲波發(fā)生器??傮w上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不一樣,因而用途也各不一樣。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。2、壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲波發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示,它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí),壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動(dòng)共振板振動(dòng),便產(chǎn)生超聲波。反之,假設(shè)兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí),將壓迫壓電晶片作振動(dòng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號,這時(shí)它就成為超聲波接收器了。3、超聲波測距原理超聲波放射器向某一方向放射超聲波,在放射時(shí)刻的同時(shí)開頭計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中遇到障礙物就馬上返回來,超聲波接收器收到反射波就馬上停頓計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,依據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算動(dòng)身射點(diǎn)距障礙物的距離(s),即:s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為, 測量聲波在放射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間,依據(jù)放射和接收的時(shí)間差計(jì)算動(dòng)身射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見,超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測距的公式表示為:L=C×T式中L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播(T為放射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提示、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量,雖然目前的測距量程上能到達(dá)百米,但測量的精度往往只能到達(dá)厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向放射、方向性好、強(qiáng)度易掌握、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn),是作為液體高度測量的抱負(fù)手段。在周密的液位測量中需要到達(dá)毫米級的測量精度,但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的緣由,提高測量時(shí)間差到微秒級,以及用 LM92溫度傳感器進(jìn)展聲波傳播速度的補(bǔ)償后,我們設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能到達(dá)毫米級的測量精度。超聲波測距誤差分析依據(jù)超聲波測距公式L=C×T,可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差當(dāng)要求測距誤差小于1mm時(shí),假設(shè)超聲波速度C=344m/s (20℃室溫),無視聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下,測量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在到達(dá)微秒級,就能保證測距誤差小于 1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能便利的計(jì)數(shù)到1μs的精度,因此系統(tǒng)承受89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響,空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快,而空氣的密度又與溫度有著親熱的關(guān)系,如表 1所示。超聲波速度與溫度的關(guān)系如下:式中:r—?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值,對空氣為 1.40,R—?dú)怏w普適常量,8.314kg·mol-1·K-1,M—?dú)怏w分子量,空氣為28.8×10-3kg·mol-1,T—273K+T℃。C=C0+0.607×T℃C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s;T(℃)。對于超聲波測距精度要求到達(dá)1mm時(shí),就必需把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)是350m/s,溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s假設(shè)超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將到達(dá)5m1m誤差將到達(dá)5mm。[編輯本段]電路設(shè)計(jì)三、超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)掌握超聲波的放射和對超聲波自放射至接收來回時(shí)間的計(jì)時(shí),單片機(jī)選用8751,經(jīng)濟(jì)易用,且片內(nèi)有4KROM,便于編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖,左側(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路一樣,故省略之。1、40kHz脈沖的產(chǎn)生與超聲波放射測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器承受 UCM40的壓電陶瓷傳感器,它的工作電壓是 0kHz的脈沖信號,這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。PUZEL:MOV14H,#12H;超聲波放射持續(xù)200msHERE:CPLP1.0;輸出40kHz方波NOP;NOP;NOP;DJNZ14H,HERE;RET前方測距電路的輸入端接單片機(jī) P1.0端口,單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后,在 端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號,經(jīng)過三極管T放大,驅(qū)動(dòng)超聲波放射頭UCM40T,發(fā)出40kHz的脈沖超聲波,且持續(xù)放射200ms。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口,工作原理與前方測距電路一樣。2、超聲波的接收與處理接收頭承受與放射頭配對的UCM40R,將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺?jīng)運(yùn)算放大器IC1AIC1B兩極放大后加至IC2IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567,內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3,電容C4打算其鎖定帶寬。R8LM567輸入信號大于25mV,輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?,作為中斷懇求信號,送至單片機(jī)處理。前方測距電路的輸出端接單片機(jī) INT0端口,中斷優(yōu)先級最高,左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口,同時(shí)單片機(jī)P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端,中斷源的識別由程序查詢來處理,中斷優(yōu)先級為先右后左。局部源程序如下:RECEIVE1:PUSHPSWPUSHACCCLREX1;關(guān)外部中斷1JNBP1.1,RIGHT;P1.1引腳為0,轉(zhuǎn)至右測距電路中斷效勞程序JNBP1.2,LEFT;P1.2引腳為0,轉(zhuǎn)至左測距電路中斷效勞程序RETURN:SETBEX1;開外部中斷1{另外的一篇}、超聲波測距原理超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為反射回來的時(shí)間,依據(jù)放射和接收的時(shí)間差計(jì)算動(dòng)身射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見,超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測距的公式表示為:L=C×TL為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時(shí)間差(T為放射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。上能到達(dá)百米,但測量的精度往往只能到達(dá)厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向放射、方向性好、強(qiáng)度易掌握、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn),前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度LM92溫度傳感器進(jìn)展聲波傳播速度的補(bǔ)償后,我們設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能到達(dá)毫米級的測量精度。超聲波測距誤差分析依據(jù)超聲波測距公式L=C×T,可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差1mmC=344m/s(20℃室溫),無視聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s2.907ms。1mm12MHz89C51單片機(jī)定時(shí)器1μs的精度,因此系統(tǒng)承受89C511mm的測量范圍內(nèi)。超聲波傳播速度誤差氣的密度又與溫度有著親熱的關(guān)系,如表1所示。超聲波速度與溫度的關(guān)系如下:式中:r—?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值,對空氣為1.40,R—?dú)怏w普適常量,8.314kg·mol-1·K-1,M—?dú)怏w分子量,空氣為28.8×10-3kg·mol-1,T確定溫度,273K+T℃。近似公式為:C=C0+0.607×T℃式中:C0332m/s;T為實(shí)際溫度(℃)。1mm時(shí),就必需把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s,30℃時(shí)是350m/s,溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將到達(dá)5m,1m5mm。美國國家半導(dǎo)體公司的LM92溫度傳感器的溫度測試區(qū)分率為0.0625℃,-10℃至+85℃準(zhǔn)確度為±1.0℃,I2C89C51的通用I/O端口能很簡潔的模擬I2C總線的讀寫時(shí)序,LM92的高精度溫度測量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。LM92溫度補(bǔ)償?shù)某暅y距儀189C51單片機(jī)P1.340kHz的信號,通過CD4069驅(qū)TL082組成的30db放大器,再由二極管的檢波電路得到一個(gè)直流電平送入比較器與門限電平比較,最終送入89C51的外部中斷INT089C51計(jì)數(shù)器停頓計(jì)數(shù),從而LM92出測試的距離。結(jié)語由LM92溫度傳感器和單片機(jī)組成的高精度超聲波測距已應(yīng)用在各種高精度測距的場合自動(dòng)氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測試、自動(dòng)任意外形物體密度測試儀等,它具有測試速度快,能到達(dá)毫米級的測量精度等優(yōu)點(diǎn),在工程上的開發(fā)與應(yīng)用前景寬闊?!觯矗担担耄龋鷫弘娞沾蔀V波器、一對40kHz的超聲波探頭、一塊MC4069UBE或LM324就可以組裝成一臺高性能測距報(bào)警掌握器。料裝置上探測物料、水塔水位掌握等。本集成電路承受DIP16腳塑料封裝,其每條腿的含義如下:455kHz時(shí)鐘信號輸入,壓電陶瓷振蕩器輸入端,可外接455kHz高Q值壓電陶瓷振蕩器。D3:掌握輸出端3,表示0.5米內(nèi)有物體。D2:掌握輸出端3,表示0.25米內(nèi)有物體。D0:高電平輸出端,可以不用。BP:喇叭驅(qū)動(dòng)電極,靜態(tài)為低電平,驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出2500Hz的脈沖,其聲音的間距越小,表示物體的距離越近。LED:方式選擇端,本腳應(yīng)接高
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